20 Ursachen, warum Relais ausfallen können

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Ohne bei diesen „geringen“ Ausfallraten von Relais, die z.T. schon länger im Einsatz sind, entsprechende Anhaltspunkte bezüglich Produktionszeitraum oder Anwendungsgebiet finden zu können, werden häufig – ohne Erfolg – sehr zeit- und kostenintensive Diskussionsrunden durchgeführt und Maßnahmelisten abgearbeitet. Diese Problemfälle sind jedoch heute in der überwiegenden Zahl der Fälle auf Fehler durch die unterschiedlichsten Oberflächenverschmutzungen der Kontakte zurückzuführen, die zu einem Anwachsen des Kontaktwiderstandes führen.

Auch bei den qualitativ besten Relais ist eine Kontamination der Kontaktoberflächen mit organischen Substanzen aus dem Gehäuseinneren (interne Kontamination) oder aus der umgebenden Leiterplatte/Umwelt (externe Kontamination) praktisch nicht zu vermeiden (siehe Teil 2 des Beitrags). Entscheidend ist die Stärke und Art der Oberflächenbelegung.

Relaisaufbau und Beschaffenheit der Kontaktoberflächen

Für den Einsatz der unterschiedlich ausgelegten Relais in verschiedenen Produkten und bei verschiedenen Verwendungszwecken werden ganz bestimmte Legierungen bei der kontaktierten Metallfläche eingesetzt, in vielen Fällen schmelz- oder sintermetallurgisch hergestellte Silberwerkstoffe mit bis zu 10% Fremdanteilen (Nickel, Kupfer, Zinn). Die Einhaltung der Sollwerte der chemischen Zusammensetzung der Legierungen lässt sich analytisch in einfacher Weise mittels Funkenemissionsspektrometrie bestimmen.

Die Oberflächenbeschaffenheit der betreffenden Kontakte wird im Allgemeinen mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Röntgenmikroanalyse (EDX) untersucht. Hierdurch gelingt es, ein genaues mikroskopisches Abbild der Kontaktoberfläche zu gewinnen wie z.B. aufliegende Partikel oder schadhafte Oberflächenstellen aufgrund von Spannungsüberschlägen. So können in manchen Fällen sowohl die Ursache (Partikelbelegung) als auch das Ergebnis des Funktionsausfalles (Spuren von Überschlägen zwischen den Kontaktoberflächen) analysiert werden.

Grundlegende Fehler oder Abweichungen im Relaisaufbau – wie z.B. mechanische oder geometrische Probleme – können mittels bildgebender Querschliffuntersuchungen festgestellt werden. Mittels Vakuumeinbettung der Relais und nachfolgender Schleifprozesse gelingt es, den momentanen Zustand des Relais quasi einzufrieren.

Hierdurch kann sowohl das gesamte Relais mit allen Einzelheiten und in seiner Funktionsweise dargestellt als auch der Fokus auf bestimmte Teilbereiche wie z.B. Kontaktzone oder Spulenbereich gelegt werden (Bild 2, links).

Querschliffe geben Aufschluss über die Beschaffenheit der Kontaktzonen

Zur Untersuchung der Kontaktzonen des Relais wird das Gehäuse von der Seite her aufgeschnitten. Nach vorsichtigem Entfernen des oberen Gehäuseteiles wird das Relaisinnere zugänglich (Bild 2, Mitte). In der Seitenansicht kann eine erste optische und z.T. auch lichtmikroskopische Inspektion der Kontaktzone durchgeführt werden (Bild 2, rechte Hälfte). Im Bild ganz rechts ist – von schräg unten betrachtet – eine deutliche Kontamination im zentralen Bereich des noch nicht ausgebauten oberen Festkontaktes zu erkennen.

Bild 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Querschliffs im Bereich des unteren Festkontaktes, der im gezeigten Beispiel aus drei verschiedenen Materialien aufgebaut ist, während die bewegliche Metallfeder mit zwei Kontakten (oben, unten) nur aus zwei verschiedenen Materialien gefertigt wurde. Mittels dieser Untersuchungen ist es dann gleichzeitig möglich, die Dicke und Qualität einer Kontaktveredelung (z.B. Goldschichten zwischen 1 bis 6 µm) zu überprüfen.

Die Kontaktoberflächen können sowohl im Querschnitt (Bild 3) als auch nach Entnahme aus dem Relais direkt von der Oberseite lichtmikroskopisch bzw. rasterelektronenmikroskopisch hinsichtlich der Oberflächenqualität (Rauheit, Struktur, Topographie) der Kontaktbereiche untersucht werden. Der eigentliche Kontaktbereich hat häufig nur eine Ausdehnung von unter 100 µm (Bild 3, rechts) und zeigt in manchen Fällen eine deutliche Schädigung der Kontaktoberfläche (Bild 3, unten). In der Regel ist eine solche Oberflächenschädigung auf vorausgehende Spannungsüberschläge zurückzuführen.

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